Los cristales líquidos sufren un tipo peculiar de cambio de fase. A cierta temperatura, sus moléculas en forma de cigarro pasan de un revoltijo desordenado a una disposición más ordenada en la que todas apuntan más o menos en la misma dirección. Los televisores LCD aprovechan ese cambio de fase para proyectar diferentes colores en imágenes en movimiento.

Durante años, sin embargo, Los experimentos han insinuado otro estado de cristal líquido:un estado intermedio entre los estados desordenado y ordenado en el que el orden comienza a emerger en parches discretos a medida que un sistema se acerca a su temperatura de transición. Ahora, Los químicos de la Universidad de Brown han demostrado un marco teórico para detectar ese estado intermedio y comprender mejor cómo funciona.

"La gente comprende muy bien los comportamientos ordenados y desordenados, pero el estado en el que está a punto de suceder esta transición no se comprende bien, "dijo Richard Stratt, profesor de química en Brown y coautor de un artículo que describe la investigación. "Lo que hemos creado es una especie de vara de medir para medir si un sistema está en este estado. Nos da una idea de qué buscar en términos moleculares para ver si el estado está presente".

La investigación, publicado en el Revista de física química , podría arrojar nueva luz no solo sobre los cristales líquidos, sino también el movimiento molecular en otras partes de la naturaleza:fenómenos como los ovillos de proteínas involucrados en la enfermedad de Alzheimer, por ejemplo. El trabajo fue dirigido por Yan Zhao, un doctorado estudiante en el laboratorio de Stratt que espera graduarse de Brown esta primavera.

Para el estudio, los investigadores utilizaron simulaciones por computadora de cambios de fase en un sistema de cristal líquido simplificado que incluía algunos cientos de moléculas. Usaron la teoría de matrices aleatorias, un marco estadístico que se utiliza a menudo para describir sistemas complejos o caóticos, para estudiar sus resultados de simulación. Demostraron que la teoría hace un buen trabajo al describir el sistema tanto en el estado ordenado como en el desordenado, pero no describe el estado de transición. Esa desviación de la teoría puede usarse como una prueba para identificar las regiones del material donde el orden está comenzando a emerger.

"Una vez que te das cuenta de que tienes este estado en el que la teoría no funciona, puedes indagar y preguntar qué salió mal, ", Dijo Stratt." Eso nos da una mejor idea de lo que están haciendo estas moléculas ".

La teoría de matrices aleatorias predice que las sumas de variables no correlacionadas, en este caso, las direcciones en las que apuntan las moléculas deben formar una distribución de curva de campana cuando se trazan en un gráfico. Stratt y Zhao demostraron que eso es cierto para las moléculas de los cristales líquidos cuando están en estados desordenados y ordenados. En el estado desordenado, la distribución de la curva de campana es generada por las orientaciones completamente aleatorias de las moléculas. En el estado ordenado, las moléculas están alineadas a lo largo de un eje común, pero cada uno de ellos se desvía un poco, algunos apuntan un poco a la izquierda del eje y otros un poco a la derecha. Esas desviaciones aleatorias como las posiciones aleatorias de las moléculas en el estado desordenado, podría encajar en una curva de campana.

Pero esa distribución de la curva de campana se vino abajo justo antes de que ocurriera el cambio de fase, a medida que la temperatura del sistema descendía hasta su temperatura de transición. Eso sugiere que las moléculas en parches discretos en el sistema se estaban correlacionando entre sí.

"Ahora tiene varios conjuntos de moléculas que comienzan a cooperar entre sí, y eso provoca las desviaciones de la curva de campana, ", Dijo Stratt." Es como si estas moléculas estuvieran anticipando que este estado completamente ordenado va a tener lugar, pero todavía no han decidido en qué dirección van a ir. Es un poco como la política donde todo el mundo está de acuerdo en que algo debe cambiar, pero no han descubierto exactamente qué hacer ".

Stratt dice que el trabajo podría ser útil para proporcionar información sobre lo que gobierna la efectividad del movimiento molecular. Tanto en cristales líquidos ordenados como desordenados, las moléculas tienen libertad para moverse con relativa libertad. Pero en el estado intermedio, ese movimiento está inhibido. Este estado representa entonces una situación en la que el progreso molecular comienza a ralentizarse.

"Hay muchos problemas en las ciencias naturales donde el movimiento de moléculas es lento, ", Dijo Stratt." Las moléculas en el vidrio fundido, por ejemplo, desacelerar progresivamente a medida que el líquido se enfría. Los ovillos de proteínas involucrados en la enfermedad de Alzheimer son otro ejemplo en el que la disposición molecular hace que el movimiento sea lento. Pero, ¿qué reglas gobiernan esas moléculas a medida que disminuyen su velocidad? No lo entendemos del todo ".

Stratt espera que una mejor comprensión del movimiento molecular lento en cristales líquidos pueda proporcionar un modelo para comprender el movimiento lento en otras partes de la naturaleza.